數(shù)字化地形測圖技術(shù)的應(yīng)用

蔣勇軍

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用GPS和全站儀進(jìn)行數(shù)字化地形測圖已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的測圖技術(shù)，本文論述了數(shù)字化測圖的優(yōu)越性以及具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS RTK；免棱鏡；固定解；中誤差；基線

數(shù)字化測圖是采用GPS或全站儀直接測取碎部點(diǎn)坐標(biāo)和高程，計算機(jī)編輯成圖的技術(shù)方法。使用GPS或者全站儀測圖通常是先布置控制點(diǎn)，一般是在國家高等級控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上加密次級控制網(wǎng)點(diǎn)，最后依據(jù)加密的控制點(diǎn)或圖根點(diǎn)測定地物點(diǎn)和地形點(diǎn)。由于數(shù)字化測繪相對于傳統(tǒng)平板測圖具有精度高、作業(yè)效率高、勞動強(qiáng)度小等顯著經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢，加之近年來數(shù)字化測繪設(shè)備價格的持續(xù)下降，規(guī)劃、設(shè)計等用圖單位普遍采用計算機(jī)設(shè)計而要求提供數(shù)字化測繪成果等因素，測量單位普遍采用野外數(shù)字化測繪完成大比例尺地形測量工作。數(shù)字化測圖已基本淘汰傳統(tǒng)的平板儀測圖技術(shù)，成為占主導(dǎo)地位的技術(shù)方法，數(shù)字化時代是對測繪成果應(yīng)用方法變革的必然結(jié)果，本文以廣西平果那榮礦段地形為例，主要介紹GPS在地形測量中的應(yīng)用，以及利用全站儀作為輔助測量手段，最大效率地完成地形圖的測繪。

1.利用GPS進(jìn)行區(qū)域控制測量

為了較好的控制整個測區(qū)，根據(jù)測區(qū)高等級已知點(diǎn)，布置了4個E級GPS點(diǎn)，作為整個測區(qū)的首級控制網(wǎng)，通過對GPS數(shù)據(jù)的基線解算及網(wǎng)平差解算出4個E級GPS得平面坐標(biāo)，具體操作流程如下。

GPS控制網(wǎng)的精度設(shè)計

根據(jù)國家測繪局《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》，GPS相鄰間基線長度精度可用如下公式表示：

σ=

式中：σ網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線中誤差；

a為固定誤差；

b為比例誤差系數(shù)；

d相鄰點(diǎn)間距離；

上式單位均按mm計算，其中E級網(wǎng)固定誤差不大于10mm，比例誤差系數(shù)不大于20。E級精度要求，相鄰點(diǎn)間基線的水平分量不大于20mm，垂直分量不大于40mm，點(diǎn)間平均距離不大于3km。相對中誤差容許值為1/45000。根據(jù)控制網(wǎng)精度要求，本次采用科力達(dá)K9雙頻雙星型GPS進(jìn)行測量。技術(shù)參數(shù)：靜態(tài)平面精度：±（3mm+1ppm），靜態(tài)高程精度：±(5mm+1ppm)，采用靜態(tài)定位模式對待測控制點(diǎn)進(jìn)行定測。

GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計

通過GPS測量可以獲得WGS-84地心坐標(biāo)系下的地面點(diǎn)間的基線向量，最終成果采用1980西安坐標(biāo)系，85國家高程基準(zhǔn)，通過對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維無約束平差，再以起算點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維約束平差計算，得到最終的E級GPS相應(yīng)的參心坐標(biāo)系。

1.3GPS控制網(wǎng)的網(wǎng)形設(shè)計

圖形設(shè)計的好壞直接關(guān)系到建網(wǎng)的費(fèi)用與網(wǎng)的精度，也關(guān)系到網(wǎng)的可靠性，對GPS網(wǎng)來說，網(wǎng)形設(shè)計應(yīng)保證質(zhì)量的前提下，盡量可能地提高效率，降低成本。根據(jù)網(wǎng)的用途和要求，本次采用邊連式網(wǎng)形，通過一條已知邊將相鄰的同步環(huán)圖形連接在一起，形成重復(fù)基線和獨(dú)立環(huán)，圖形強(qiáng)度和作業(yè)效率比較高。

1.4 GPS選點(diǎn)、敷設(shè)

GPS點(diǎn)間不需要相互通實(shí)，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)靈活，但受信號、氣象的影響較大，因此選點(diǎn)中除要注意基本的條件外還應(yīng)注意一下幾點(diǎn):

點(diǎn)周圍便于安排接收設(shè)備，且衛(wèi)星截止高度角須大于15°；

遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源，距離大于200m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，距離大于50m；

附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號物件（例如大型建筑物）；

應(yīng)盡可能使測點(diǎn)局部環(huán)境和周圍的大環(huán)境一致，以減少氣象元素的代表性誤差；

1.5 數(shù)據(jù)觀測

本次采用4臺GPS同步觀測，對中整平儀器后量測儀器高度。同步觀測有效衛(wèi)星數(shù)不少于4顆，觀測時間不少于40min，觀測時段不少1.6，采用配備的電子手薄進(jìn)行記錄。觀測前后各記錄一次儀器高，并在觀測中時刻注意接收衛(wèi)星指示燈是否正常，電源是否充足，盡量使觀測成果最理想。

1.6成果計算及精度評定

利用GPS平差軟件，將外業(yè)觀測數(shù)據(jù)輸入電腦，檢查點(diǎn)的編號以及儀器的高度輸入是否正確。對基線向量先進(jìn)行無約束平差，平差后通過觀測改正值檢驗(yàn)基線向量中是否存在粗差，剔除含有粗差的基線向量，再重新進(jìn)行平差，確認(rèn)網(wǎng)中沒有粗差后再進(jìn)行約束二維平差，計算誤差大小。本次網(wǎng)形中最弱點(diǎn)中誤差為0.005mm，最弱邊相對中誤差為1/53380，均滿足規(guī)范要求。

2．地形點(diǎn)測量

2.1GPS RTK地形點(diǎn)測量

應(yīng)用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行定位時要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時地把觀測數(shù)據(jù)及已知數(shù)據(jù)傳給流動站GPS接收機(jī)，流動站快速求解整周模糊度，在觀測到4顆以上的衛(wèi)星后，可以實(shí)時地求解處出厘米級得流動站精度，通過使用GPS測量至少2個已知點(diǎn)坐標(biāo)，求出測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后通過任意已知點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)校正后就可以使用RTK進(jìn)行地形點(diǎn)、地物點(diǎn)等坐標(biāo)的測量。GPS RTK技術(shù)參數(shù)：RTK平面精度為±（10mm+1ppm），RTK高程精度為±(20mm+1ppm)，完全滿足常規(guī)比例尺地形測圖精度要求。采用RTK技術(shù)測圖，僅需一人手持儀器在要測的碎步點(diǎn)上放置1~2秒就可以準(zhǔn)確的測定點(diǎn)的位置，并通過輸入特征編碼和電子手薄記錄。由于RTK測圖僅需要一人操作，因此不存在數(shù)據(jù)誤報或者誤聽產(chǎn)生的錯誤記錄，而且手持桿的高度基本不需要改變，也保證了高程的絕對正確性。野外工作完成后直接將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，使用Cass繪圖軟件，就可以生成地形圖。

但GPS測圖也有其缺點(diǎn)，例如在衛(wèi)星高度角不理想的地方或者電磁干擾較大處GPS信號不連續(xù)，甚至接收不到固定解信號，不能進(jìn)行差分解算。而且使用GPS進(jìn)行山坡測圖不便于攜帶，容易損壞。本測區(qū)由于地形起伏較大，山腳處衛(wèi)星高度角不能滿足接收條件，因此在對山坡進(jìn)行高程點(diǎn)采集以及山腳或者樹林茂盛處GPS RTK測圖不能正常使用。另外對于懸崖處，或者坡度較陡、植被覆蓋較小的山地，可以使用免棱鏡全站儀測圖。所有這些條件下利用全站儀進(jìn)行測量有其優(yōu)越性。

2.2全站儀地形測量

全站儀數(shù)字化測圖按作業(yè)方法可分為編碼和無碼兩種，編碼方法在測點(diǎn)時必須按碎部點(diǎn)的類型及相互間聯(lián)系輸入特征編碼以便事后編輯成圖。操作儀器的作業(yè)員不僅要熟記編碼，還要時刻觀察地形才能正確輸入，因此，這種方法對操作人員的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)均有較高要求。就處理碎部點(diǎn)間關(guān)系而言，實(shí)際上與平板儀測圖無異。無碼方法則不需輸入任何編碼，而是代之以棱鏡處作業(yè)員繪制草圖記錄所測點(diǎn)之位置、點(diǎn)號及與其它點(diǎn)的聯(lián)系。測站照準(zhǔn)目標(biāo)測取數(shù)據(jù)后，只需向棱鏡處作業(yè)員報告碎部點(diǎn)點(diǎn)號而已，測站與棱鏡間聯(lián)絡(luò)較少，測圖工作實(shí)際上主要在棱鏡處進(jìn)行。由于測點(diǎn)時不需觀察地形，因而測量速度很快，一臺儀器可觀測二至三個棱鏡，外業(yè)測圖效率很高。作業(yè)時繪制草圖的作業(yè)員在棱鏡處現(xiàn)場繪制，簡單而不易出錯，只需熟悉地形、地物表示方法即可勝任；而觀測員操作全站儀測點(diǎn)精度很高，數(shù)據(jù)傳輸又是自動進(jìn)行，避免了人為的錯誤和讀數(shù)誤差；內(nèi)業(yè)編輯則是計算機(jī)展點(diǎn)，對照草圖應(yīng)用繪圖軟件的各種編輯工具成圖，等高線自動完成，輕松快捷。從理論上講，數(shù)字圖中碎部點(diǎn)精度與作業(yè)員操作技能關(guān)系不大，正常情況下已達(dá)到圖根點(diǎn)的水平，測量誤差可忽略不計。

對于懸崖，或者植被少只需測量高程點(diǎn)的山坡，則采用免棱鏡測量可以大大提高效率。目前這類儀器采用的測距模式分為：相位比較式、脈沖式、脈沖相位比較式幾種。脈沖相位比較式是這幾年的新科技成果，測程遠(yuǎn)而且測距精度高。例如徠卡TS02-2Power以及拓普康的GTS-3005LN可免棱鏡測距，標(biāo)稱測程都在1000m以上。觀測時只要目標(biāo)在測程范圍內(nèi)，無需司鏡人員，觀測員短時間內(nèi)就可以收集到測點(diǎn)的信息。

高端測繪儀器的出現(xiàn)，使得在數(shù)字化測繪時，對作業(yè)人員的操作技能要求大大降低，進(jìn)一步提高成圖質(zhì)量只能靠提升作業(yè)人員的理論水平。為適應(yīng)這種新的形勢，今后測繪技術(shù)人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)重點(diǎn)要從熟練、準(zhǔn)確的技能訓(xùn)練轉(zhuǎn)移到地形、地物的正確表達(dá)，計算機(jī)繪圖理論、不同使用目的下地形圖的不同取舍等更深層次的內(nèi)容上來。

結(jié)語：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測繪設(shè)備的先進(jìn)程度對測量精度和效率起決定性的作用，GPS和全站儀測圖各有其優(yōu)劣性，他們的配合使用可以彌補(bǔ)相互的缺陷，使得數(shù)字化測圖高效而又簡捷。